Biochimica/Emoglobina e mioglobina

La semplice diffusione dell'ossigeno attraverso i tessuti non garantirebbe, negli animali superiori, l'apporto di questa vitale molecola a tutte le cellule; a tale funzione è adibito il sistema circolatorio. L'ossigeno isolato ha una solubilità nel sangue di soli 3 mL/L. Necessita quindi di specifiche proteine trasportatrici che, legandosi a esso, ne aumentano la solubilità a 250 mL/L.

Struttura

Struttura molecolare dell'eme

L'emoglobina e la mioglobina sono oloproteine, cioè biomolecole costituite da una parte polipeptidica (l'apoproteina) rappresentata dalle molecole di globina e una porzione non polipeptidica, rappresentata dal gruppo eme. La mioglobina, localizzata nelle cellule muscolari scheletriche e cardiache, ha una struttura terziaria: una singola catena globinica che accoglie il gruppo eme. L'emoglobina presenta una struttura quaternaria, è composta infatti da due dimeri legati tra loro; ciascun dimero è costituito da una catena α e una catena β, quindi si hanno in totale nella molecola quattro catene polipeptidiche. Ogni catena accoglie un gruppo eme.

Rappresentazione che mostra l'istidina prossimale che lega il ferro dell'eme

Sono mostrati l'istidina distale che instaura un legame a idrogeno coll'ossigeno legato a sua volta al ferro dell'eme

Il gruppo eme è composto da un atomo di Fe²⁺ che instaura legami di coordinazione con quattro atomi di azoto, i quali fanno parte di una struttura molecolare detta protoporfirina. L'atomo di ferro è legato alla catena globinica per mezzo di un residuo di istidina (His F8) chiamata istidina prossimale. I legami di coordinazione servono per mantenere il ferro nello stato ridotto, che è quello in grado di legare efficacemente l'ossigeno. Tuttavia, l'eme isolato non è in grado di mantenere il ferro nello stato ridotto poiché quando è esposto all'acqua, il ferro si ossida a 3+; per questo motivo il gruppo eme è accolto in una tasca idrofobica della molecola di globina, che impedisce l'accesso dell'acqua al gruppo eme. Il ferro instaura il sesto legame di coordinazione con il ligando che è di norma l'ossigeno; ciò nondimeno può legarvisi al suo posto il monossido di carbonio (CO), coll'asse della molecola perpendicolare al piano della protoporfirina e con un'affinità 20 000 volte maggiore dell'ossigeno qualora l'eme sia isolato. Quando l'eme invece è accolto nella globina, il monossido di carbonio lega con un ponte a idrogeno il residuo di istidina E8 chiamato istidina distale, che inclina l'asse della molecola di CO diminuendone l'affinità di legame a 200 volte maggiore di quella dell'ossigeno. Questo ponte a idrogeno aiuta a stabilizzare il legame dell'ossigeno col ferro.

Cambiamenti conformazionali e curve di dissociazione

Comparazione delle curve di dissociazione della mioglobina (Mb), emoglobina adulta (HbA) ed emoglobina fetale (HbF)

La struttura quaternaria dell'emoglobina si presenta in due stati, uno stato T (teso) e uno stato R (rilassato). I due stati o conformazioni si distinguono per la diversa affinità per l'ossigeno, lo stato T è scarsamente affine, lo stato R lega invece l'ossigeno con più affinità. Lo stato T è detto teso perché è caratterizzato da legami a idrogeno tra i due dimeri. La transizione dallo stato T allo stato R è innescata dal legame dell'ossigeno con il ferro dell'eme che rende più planare la conformazione della struttura della protoporfirina, spostando l'istidina prossimale e l'elica cui è legata. Ciò porta alla rottura dei legami a idrogeno che stabilizzano lo stato T, convertendo così l'emoglobina allo stato R.

La curva di dissociazione è un grafico che mette in relazione in ascissa la pressione parziale dell'ossigeno (pO₂) e in ordinata la percentuale di emoglobina o mioglobina saturata di ossigeno. La curva di dissociazione della mioglobina ha l'andamento di un ramo di iperbole, in cui notiamo che questa molecola è quasi completamente saturata già a basse pressioni parziali di ossigeno. Di contro, la curva di dissociazione dell'emoglobina ha un andamento sigmoidale (a forma di S), nella quale si vede che, alle medesime pressioni parziali di ossigeno, la percentuale di emoglobina saturata è inferiore a quella di mioglobina e che l'emoglobina si satura completamente a pressioni parziali dell'ossigeno più alte. L'andamento sigmoidale della curva di dissociazione dell'emoglobina è così spiegabile: la prima molecola di ossigeno trova una emoglobina colle quattro catene globiniche allo stato T, con poca affinità. Questo primo legame porta al cambiamento conformazionale della catena cui l'ossigeno si è legato, e della catena adiacente. Così la seconda molecola di ossigeno troverà una molecola di emoglobina con aumentata affinità per poter legare la successiva molecola di ossigeno e così via, finché il quarto e ultimo ossigeno si troverà una emoglobina colle quattro catene allo stato R, completamente affine all'ossigeno.

Osserviamo nel caso dell'emoglobina un esempio di cooperatività, una forma particolare di allosterismo, un fenomeno per cui il legame con un ligando in un sito di una macromolecola aumenta (cooperatività positiva) o diminuisce (cooperatività negativa) l'affinità di altri siti per un ligando. Se il ligando è lo stesso, l'effetto è omotropico (come nel caso dell'emoglobina), se invece il legame con il ligando influenza l'affinità per un'altra specie di ligando, l'effetto è detto eterotropico.

Ma qual è il motivo fisiologico di questa differenza nelle curve di saturazione tra emoglobina e mioglobina? Grazie all'andamento sigmoidale della curva di dissociazione l'emoglobina, a livello dei capillari polmonari, dove si registrano alte pressioni parziali di ossigeno, è in grado di saturarsi completamente, mentre a livello dei tessuti periferici, dove la pressione parziale di ossigeno è bassa, riesce a cedere l'ossigeno ai tessuti, evento impossibile se fosse costituita da una sola catena polipeptidica. La mioglobina, invece, ha come funzione l'accumulo di ossigeno nel muscolo striato, da qui la sua elevata saturazione anche a basse pressioni parziali di ossigeno.

Modelli che spiegano la transizione T-R

Esistono due modelli teorici che spiegano la transizione dallo stato T allo stato R, non mutualmente escludenti:

• il modello concertato prevede che le due forme dell'emoglobina siano in equilibrio tra loro, e che il cambiamento di conformazione avvenga contemporaneamente in tutte le quattro catene globiniche; di conseguenza in una molecola di emoglobina le quattro subunità sono sempre tutte nello stesso stato. Il ligando (l'ossigeno) stabilizza lo stato cui si lega preferenzialmente (lo stato R), spostando l'equilibrio verso la forma affine;
• nel modello sequenziale il legame del ligando colla subunità causa in questa un cambiamento conformazionale che si propaga alla subunità adiacente, aumentando l'affinità per una successiva molecola di ossigeno.

Effetto Bohr

L'effetto Bohr è il fenomeno per il quale un alto pH influenza positivamente l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno. Ciò ha importanti conseguenze fisiologiche.

• A livello dei capillari polmonari c'è una bassa concentrazione di diossido di carbonio, il quale è coinvolto nella reazione:
  

${\ce {CO2 + H2O<-> H+ + HCO3-}}$

La bassa concentrazione di anidride carbonica, per il principio di Le Chatelier, sposta l'equilibrio della reazione verso sinistra, con consumo dei prodotti e diminuzione della concentrazione di H⁺. Ciò ha come risultato l'aumento del pH e quindi, per l'effetto Bohr, l'aumento dell'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno, che è massima nei polmoni.

• Al contrario, nei tessuti periferici, è alta la concentrazione di CO₂ e quindi, per il principio di Le Chatelier, anche di protoni. Il basso pH diminuisce l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno, che in questo modo può essere rilasciato con facilità ai tessuti periferici.

La spiegazione molecolare dell'effetto Bohr è che un residuo di istidina, quando protonato, si lega a un residuo di aspartato tramite un ponte a idrogeno, formando uno di quei legami che stabilizzano lo stato T. Quando questa istidina si deprotona, l'emoglobina passa allo stato R, il più affine a legare l'ossigeno.

L'emoglobina è anche in grado di trasportare il CO₂, che si lega agli N-termini di ciascuna catena globinica (quindi una singola molecola di emoglobina lega fino a 4 molecole di diossido di carbonio), formando un composto chiamato carbamminoemoglobina, con rilascio di un protone, contribuendo ulteriormente all'effetto Bohr con maggiore facilità di rilascio dell'ossigeno.

2,3-bifosfoglicerato

Il 2,3-bifosfoglicerato (2,3-BP) è il derivato di un intermedio della glicolisi negli eritrociti, che funge in queste cellule da modulatore eterotropico negativo nei confronti dell'ossigeno. Infatti il 2,3-BP è in grado di inserirsi nella cavità tra le due subunità β che si viene a formare nello stato T; le cariche negative del 2,3-BP interagiscono colle cariche positive di residui aminoacidi basici che sporgono nella cavità. Questi legami ionici portano alla stabilizzazione dello stato T. Nello stato R, questa cavità è troppo ristretta e non permette l'accesso al 2,3-BP. Il 2,3-BP diminuisce così l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno, consentendone un maggiore rilascio a livello dei tessuti periferici. Infatti la contrazione di 2,3-BP aumenta ad elevate altitudini o nelle condizioni di ipossia, quando è bassa la pO₂.

Il feto acquisisce l'ossigeno di cui necessita dal sangue della madre, dunque la sua emoglobina dev'essere più affine per l'ossigeno rispetto a quella materna. Infatti l'emoglobina fetale ha la struttura α₂γ₂, diversa dall'emoglobina adulta (α₂β₂), e meno affine al 2,3-BP. Di conseguenza l'emoglobina fetale ha maggiore affinità per l'ossigeno di quella adulta e così è in grado di acquisire l'ossigeno dell'emoglobina della madre.

Emoglobinopatie

Anemia falciforme

L'anemia falciforme è causata da una mutazione missenso che provoca la sostituzione di un residuo idrofilo di glutammato con un residuo idrofobico di valina nella catena β, generando su di essa un punto idrofobico d'attacco. Ciò causa la polimerizzazione della deossiemoglobina (cioè l'emoglobina quando non è legata all'ossigeno) in lunghi filamenti insolubili, che portano l'eritrocita ad assumere una tipica forma a falce. I globuli rossi a falce occludono i capillari, causando dei microinfarti che si traducono in un forte dolore e che interferiscono colla normale funzionalità degli organi.